摘(zhāi)要(yào):文(wén)中以氣(qì)體渦街流量(liàng)計(jì) 爲例,從流(liú)體力學的角度(dù)分析(xī)了渦街流(liú)量計(jì)測量誤(wù)差(chà)産生(shēng)的原因,結(jié)合(hé)氣體測量的(de)特點,使用(yòng)了一種工程化的解決方法(fǎ)。并(bìng)根據應用(yòng)實際,給出了正确的将(jiāng)工況流(liú)量轉化爲标況(kuàng)流量的軟、硬件(jiàn)方案(àn)。
1引言
　　渦街(jiē)流量(liàng)計 又(yòu)稱卡(kǎ)門渦街流(liú)量計(jì),是利(lì)用流體流(liú)過障礙物時産(chǎn)生(shēng)穩定(dìng)的(de)旋渦(wō),通過測量旋渦産生的(de)頻率而(ér)實現對流(liú)體流量的(de)計(jì)量。
　　渦街(jiē)流(liú)量計是(shì)70年代發展(zhǎn)起(qǐ)來的一(yī)種新型流(liú)量測量儀表(biǎo)。其優點(diǎn)主要(yào)有:儀表内(nèi)部沒有可動部(bù)件,結構簡單(dān),使用壽命(mìng)長;測量(liàng)範圍寬(kuān),--般(bān)情況量程比爲1:10~1:15;儀表(biǎo)輸出(chū)爲(wèi)頻率信(xìn)号，易(yì)于實現(xiàn)數(shù)字化測量;适用(yòng)于多種(zhǒng)介質測量4]。目前國(guó)内液(yè)體(tǐ)渦街流量計(jì)測量(liàng)精度爲土(tǔ)1% ,氣體(tǐ)渦銜(xián)流量(liàng)計爲+1.5%。這(zhè)樣的精(jīng)度用(yòng)于貿易結算(suàn)計量(liàng)是不能(néng)令人滿(mǎn)意的。本(běn)文以氣體(tǐ)渦銜流量(liàng)計爲研究(jiū)對象，從流體力(lì)學的角(jiǎo)度分析(xī)渦街流量計測(cè)量誤差産(chǎn)生的(de)原因,并(bìng)給(gěi)出了一種(zhǒng)工程(chéng)化的(de)解決方法(fǎ)。
2渦街(jiē)流量(liàng)計的原理(lǐ)及測量誤差産(chǎn)生的原因
　　渦街(jiē)流量計是基于(yú)流體(tǐ)力學(xué)中著(zhe)名的(de)“卡門渦街”研制(zhì)的。在(zài)流動(dòng)的流(liú)體(tǐ)中(zhōng)放置(zhì)- -非流(liú)線型柱形體(tǐ),稱旋(xuán)渦(wō)發生(shēng)體,當流(liú)體沿旋(xuán)渦發(fā)生體繞流時,會在(zài)渦(wō)街發生體(tǐ)下遊産生兩列不對稱但(dàn)有規律的(de)交替旋渦列,這就是(shì)所謂的(de)卡(kǎ)門渦(wō)街,如(rú)圖1所示。
 
　　大(dà)量的實(shí)驗和理(lǐ)論證明(míng):穩(wěn)定的(de)渦街發生頻率(lǜ)ƒ與來流(liú)速(sù)度v1及(jí)旋渦(wō)發生(shēng)體的(de)特征(zhēng)寬度(dù)d有如(rú)下确(què)定關系叫(jiào):
 
　　式中st爲斯(sī)特羅(luó)哈數,與雷諾數(shù)和d相關。
　　當雷諾數re在一定(dìng)範圍(wéi)内(3 x102~2 x105)時(4],st爲一(yī)常數(shù),對于三(sān)角柱形旋渦發(fā)生體約(yuē)爲0.16
　　雷諾數(shù)的定(dìng)義爲
 
　　式中s爲管(guǎn)道的橫截面積(jī)。
　　由氣(qì)體(tǐ)渦街流(liú)量計的(de)測量原理可(kě)知,通過測(cè)量(liàng)旋渦發生頻(pín)率僅能得到旋渦發生體(tǐ)附近(jìn)的流(liú)速vi,由式(3)可知在(zài)橫截(jié)面積一定的情況下(xià),流體(tǐ)的流量q與流體的平均流(liú)速v成正(zhèng)比(bǐ),因此(cǐ)要正(zhèng)确計(jì)量流體的流量必須(xū)找到(dào)`v與(yǔ)v1的(de)對應(yīng)關系。
　　根據流體(tǐ)力學(xué)理(lǐ)論,在充分發(fā)展的(de)湍流(liú)狀态下，流體的(de)速度分(fèn)布有如下關系式川:
 
　　式(shì)中:vp爲到管壁距(jù)離爲y的p點(diǎn)的速(sù)度;y爲(wèi)點(diǎn)到(dào)管壁(bì)處的(de)距離;vmax:爲管(guǎn)道中(zhōng)的最大流(liú)速,通(tōng)常取管道(dào)中心的速(sù)度;r爲管道的半徑;n爲(wèi)雷諾數的(de)函數(shù)。
表1中給出(chū)了部(bù)分雷諾數(shù)與n的(de)對應(yīng)關(guān)系。
 
　　由于(yú)旋渦發生體的位置(zhì)固定,因(yīn)此(cǐ)當雷諾數一定(dìng)時v1與`v有(yǒu)固(gù)定的(de)比例關(guān)系換言之,當雷諾數re變(biàn)化時,二者的比值也(yě)發生變化(huà)，
 
　　圖3給出(chū)了(le)不同(tóng)雷諾(nuò)數下(xià)充分(fèn)發(fā)展(zhǎn)的(de)湍流的(de)流速(sù)分布(bù),如圖(tú)所示(shì)re越大,流速分布越平滑,即(jí)旋渦(wō)發生(shēng)體附(fù)近(jìn)的流速越接(jiē)近平均流速,故(gù)ƒ( re)應爲單調遞減(jiǎn)函數。圖4給出了(le)3台50mm口徑，寬度14 mm三(sān)角形旋(xuán)渦發生(shēng)體的氣體(tǐ)渦銜(xián)流量計,在20℃,一個标準(zhǔn)大氣壓下(xià),不同雷諾數下(xià)的k值曲線。如圖(tú)所示實驗(yàn)數(shù)據(jù)與理(lǐ)論分析基(jī)本一(yī)緻,因(yīn)此渦(wō)銜流(liú)量(liàng)計的測量原理即(jí)決定(dìng)了儀(yí)表系數(shù)的(de)非線(xiàn)性(xìng)特性。若要提高(gāo)渦街流(liú)量計(jì)的計量精(jīng)度,必(bì)須針對不(bú)同的流速分布(bù)對k值進行修正(zhèng)。
 
3标定狀(zhuàng)态下k值(zhí)的修(xiū)正
　　在20 ℃,一個(gè)标準(zhǔn)大氣(qì)壓的(de)标定狀态(tài)下(xià),空(kōng)氣的密(mì)度和粘(zhān)度爲(wèi)常數,因此(cǐ)雷諾(nuò)數僅與流體的(de)平均流速(sù)相關(guān),ƒ在平均流速`v有(yǒu)對應(yīng)關系(xì),因此有(yǒu)如(rú)下函(hán)數關系:
 
　　對圖4中的k值曲線(xiàn)研究(jiū)發現(xiàn),3條曲線形(xíng)狀基本(běn)一緻,隻是平(píng)移的程度(dù)不同(tóng)。故可以爲(wèi)同一(yī)口(kǒu)徑(jìng)的渦(wō)街流量計确定(dìng)一條(tiáo)特征曲線(xiàn)函數g(f),同(tóng)時測定每台(tái)儀(yí)表的平(píng)均儀(yí)表系(xì)數`k,将(jiāng)二者(zhě)相乘即可(kě)得到(dào)該(gāi)台渦街(jiē)流量(liàng)計在(zài)不同(tóng)頻率下的(de)真實(shí)儀表系數(shù),即:k=`k.g(ƒ)
　　在(zài)實際應用中(zhōng)将g(ƒ) 作爲(wèi)特定的子(zǐ)程序,生産(chǎn)廠家(jiā)根據标(biāo)定(dìng)結果(guǒ)置入r即可。
4工作(zuò)狀況下的修正(zhèng)
　　氣體渦銜流量(liàng)計使用(yòng)的工作(zuò)狀況(kuàng)(簡(jiǎn)稱工況(kuàng))通常與标定狀(zhuàng)态不(bú)同(tóng),由于氣體的體積流量(liàng)受溫度、壓(yā)力的影響(xiǎng)比較大,在實際應用(yòng)中通常将氣體在(zài)工況下的(de)體(tǐ)積折(shé)算爲标(biāo)準狀态(tài)下(0℃,一個标準大氣壓(yā),簡稱标況(kuàng))的體(tǐ)積(jī)進行結(jié)算和(hé)計量,即對(duì)氣體進(jìn)行溫度、壓力(lì)的補償。
　　根(gēn)據(jù)流體力學中的雷(léi)諾數(shù)相似(sì)原則,即當(dāng)流體(tǐ)的雷諾(nuò)數相等時流(liú)體的(de)流速(sù)分布相似”。故将(jiāng)工況下(xià)的流動形态化爲标定(dìng)狀态(tài)下(xià)的(de)流動(dòng)形态(tài),再(zài)通(tōng)過标定狀态下對速(sù)度分布的(de)修(xiū)正得到(dào)與工(gōng)況相對應的(de)标定流(liú)量,最(zuì)後将(jiāng)正确(què)修正(zhèng)後的标定(dìng)流量通(tōng)過理想(xiǎng)氣體(tǐ)狀态方程(chéng)折算爲标況下(xià)的流量。采(cǎi)取以(yǐ)上方法是由于(yú)前面提(tí)到(dào)的函數g(ƒ) 必(bì)須在标定(dìng)狀态下得到,而(ér)0℃,-個标準大氣壓(yā)的标定狀态比(bǐ)較難得到,因(yīn)此(cǐ)采用了兩步折(shé)算的方(fāng)法。
 
　　故與(yǔ)工況(kuàng)對應(yīng)的标定狀(zhuàng)态下(xià)的旋(xuán)渦發(fā)生體附近(jìn)的
 
　　由于此方法(fǎ)是基(jī)于雷諾數(shù)相似原理進行(háng)修正(zhèng)的，因此普(pǔ)遍适(shì)用于(yú)各種(zhǒng)氣體在非标定(dìng)狀态(tài)下(xià)的修正。
5修正方法(fǎ)的實(shí)現
5.1硬(yìng)件電路的實現(xiàn) .
　　由上面的(de)分析可知(zhī)要完(wán)成對非(fēi)标定狀(zhuàng)态下(xià)氣體流量(liàng)的雷(léi)諾(nuò)數(shù)修正(zhèng),需要采集(jí)氣體(tǐ)的溫(wēn)度、壓力信(xìn)号,同時爲了完(wán)成複雜的(de)修正算法,信号(hào)處理(lǐ)部分(fèn)采用(yòng)了以(yǐ)單片機爲(wèi)核心的智能(néng)化系統(tǒng)設計。單(dān)片機爲(wèi)mi-crochip公司的pic16f877。 16f877具有8 k的(de)flash程序存(cún)儲(chǔ)器,368字節的(de)ram及(jí)256字(zì)節的(de)e2prom，這爲複(fú)雜算法(fǎ)的實現和大量(liàng)數據的存儲提(tí)供了(le)良好(hǎo)基(jī)礎(chǔ)。16f877 具有(yǒu)片内(nèi)的ad轉(zhuǎn)化器,可(kě)以簡化(huà)電路設計,能夠(gòu)方(fāng)便的(de)與溫度(dù)、壓力檢測放大(dà)電，路連(lián)接(jiē),利于(yú)電路的緊湊化設計,降(jiàng)低成本(běn)。片上的(de)watchdog可以保(bǎo)證程(chéng)序的可靠(kào)運行。此外(wài)pici6f877的端口b具有電平變(biàn)化中斷的功能,此功能可以方(fāng)便的實現簡單(dān)的鍵盤接(jiē)口電路。圖5爲系(xì)統硬(yìng)件原理框圖。
 
　　爲(wèi)了滿足(zú)儀表現場顯示(即電池(chí)供電(diàn))的需要,儀表在(zài)傳(chuán)感器選(xuǎn)擇和電路(lù)設計上都(dōu)體(tǐ)現(xiàn)了低(dī)功耗的特 點。
5.1.1溫度檢測電路
　　溫(wēn)度傳感器選用(yòng)了溫(wēn)度傳感器(qì),該溫度傳感器(qì)是基于(yú)半導體測溫原理(lǐ)制成(chéng)的。該傳感器量(liàng)程範(fàn)圍較(jiào)寬(-40~125℃ ;輸(shū)出電壓信号,經(jīng)放大後可(kě)以(yǐ)方便的同單(dān)片機的a/d接口連接;在(zài)量程(chéng)範圍内有(yǒu)較好的線性度(dù),10 mv/ c;精度(dù)較高(gāo),在量(liàng)程範(fàn)圍内(nèi)可達(dá)±0.5 ℃;體積(jī)較(jiào)小,封裝(zhuāng)方式爲僅有3個管(guǎn)腳(jiǎo)的t0-92,可以方(fāng)便的與渦街流(liú)量計的表體相(xiàng)連。
5.1.2壓(yā)力檢測電(diàn)路
　　壓力傳感器(qì)采用壓阻式壓(yā)力傳感器封裝(zhuāng)在不鏽鋼外殼(ké)内,不(bú)鏽鋼膜片(piàn)将壓力通過矽(xī)油傳(chuán)遞到壓力(lì)敏感(gǎn)芯片(piàn)。上(shàng)從(cóng)而得(dé).到(dào)成比例(lì)的線性(xìng)輸(shū)出。
　　該(gāi)壓力(lì)傳感器适(shì)用(yòng)于中低壓力(lì)測量(liàng)，具(jù)有(yǒu)較(jiào)高(gāo)的精度和線性度,能夠實現零(líng)位校(xiào)準和溫度補償，具有低功(gōng)耗特性。
　　由于(yú)該(gāi)壓力傳感(gǎn)器爲(wèi)壓阻式(shì),因此需恒流(liú)源供(gòng)電。爲了降低系統的(de)功耗,使用了(le)間(jiān)歇供電的方案(àn),即在要(yào)進(jìn)行a/d采(cǎi)用時才(cái)給(gěi)壓力(lì)傳感器(qì)和恒流(liú)源供電。壓力傳感器的(de)輸(shū)出信(xìn)号通過減法電(diàn)路得到(dào)壓(yā)力差(chà),經放大後供a/d采樣。
5.2軟(ruǎn)件(jiàn)的實現(xiàn)
　　智能化系統的(de)軟件設(shè)計結合pic單片(piàn)機的(de)特點(diǎn)采用了(le)pic的彙編(biān)語言,采用彙編(biān)語言便于提高(gāo)系統效(xiào)率(lǜ),縮短(duǎn)程序執行時間(jiān),降低系統功耗(hào)。
　　爲了(le)便于軟件(jiàn)設計,主程(chéng)序分(fèn)爲工作狀态和(hé)置數狀(zhuàng)态，并爲其(qí)編(biān)制不同的(de)子程序。在主程序中,通過标志(zhì)位确定主程序(xù)所要(yào)運行的子程序,不(bú)同的标(biāo)志通(tōng)過(guò)不同的(de)中斷來設(shè)置,例(lì)如:1 s定(dìng)時(shí)中斷将(jiāng)設置計算标志(zhì),外(wài)部中斷将設(shè)置置數标志。這(zhè)樣既保證(zhèng)了系(xì)統的實時性又體現(xiàn)了軟件的(de)結(jié)構(gòu)化特點。工(gōng)作狀(zhuàng)态(tài)用于對(duì)瞬時(shí)和(hé)累計流量的(de)計算和顯(xiǎn)示。圖(tú)6給出(chū)了計算子程序(xù)的流(liú)程圖。置數(shù)狀态(tài)用于所選(xuǎn)參數(shù)如平均(jun1)儀表系(xì)數`k的(de)置入。另外(wài)由于渦街流量計在(zài)小流(liú)量時(shí)易受到(dào)噪聲的幹擾,因(yīn)此還增加了(le)流量下限切除的功能,流(liú)量的下限也可以通(tōng)過鍵盤置(zhì)入。

 
　　主程序(xù)流程(chéng)圖如(rú)圖7所示。
 
6結論
　　表2給出了标(biāo)定狀(zhuàng)态下,3台渦(wō)街流量傳(chuán)感器(qì)修正前(qián)後非線(xiàn)性誤(wù)差的比較結果(guǒ)。
 
　　本文分析(xī)了氣體渦街流(liú)量計測量誤差産生(shēng)的(de)原因,并(bìng)給出(chū)了一種基(jī)于(yú)雷諾(nuò)數(shù)修正(zhèng)的方法,用(yòng)高次函數拟合(hé)儀表(biǎo)系數k的(de)特性曲線。通過對儀表系數k的非線性(xìng)修正,提(tí)高了(le)渦街流量計的計(jì)量精度(dù)。結合實際應用,通過對(duì)壓力、溫度(dù)的補償得到了與工況相對應标況(kuàng)下的(de)流(liú)量,方便(biàn)了用(yòng)戶的使用(yòng)。

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